磁的基本知识与电磁感应

一、磁体与磁极

1.磁体

具有磁性的物体称为磁体或磁铁，磁铁分为天然磁铁和人造磁铁。人们通常所见到的电磁铁多为人造磁铁，如实验用的马蹄形磁铁、条形磁铁和小磁针等。

2.磁极

磁体的两端称为磁极，其磁性最强。可自由移动的小磁针静止时，指向北的一端称为N极，指向南的一端称为S极。磁极之间有相互的作用力，同种磁极相互排斥，异种磁极相互吸引。

二、磁场与磁场强弱的描述

1.磁场

磁体的周围存在着有磁力作用的空间称为磁场。放在磁场中的小磁针或通电的直导线都将受到磁场对它的作用。

2.磁场强弱的描述方法

（1）磁力线

用来形象描写磁场强弱的一些闭合曲线称为磁力线。磁力线的方向一般规定：在磁体的外部是从N极指向S极，在磁体的内部是从S极指向N极。磁力线可用来定性描写磁场的强弱，即磁力线的疏密表示磁场的强弱，磁力线越密的地方磁场越强，磁力线越疏的地方磁场越弱。磁力线疏密均匀且方向一致的磁场称为匀强磁场。

（2）磁通量

穿过某一面积的磁力线条数称为该面积的磁通量，简称磁通。用字母Φ表示，单位是韦伯（Wb）。磁通量是定量描写某一区域磁场强弱的一个物理量。当面积一定时，磁通量越大，说明磁力线越密，即磁场越强。

（3）磁感应强度

垂直穿过单位面积的磁力线条数称为该点的磁感应强度，用字母B表示，单位是特斯拉（T）或韦伯／米²（Wb／m²）。其表示式为

式中 Φ——磁通（Wb）；

S——面积（m²）。

磁感应强度是定量描写磁场中某点的磁场强弱的一个物理量，B越大，说明该点的磁场越强。

三、电流的磁场

磁场可由磁铁产生，也可由电流或者变化的电场产生。在电器设备中，最常见的是由电流产生的磁场。

1.电流的磁场

通电导线所产生的磁场是以直导线为中心的许多同心圆，通电螺线管所产生的磁场与条形磁铁所产生的磁场相似。

2.电流的磁场方向的判断

电流的磁场方向的判断是采用右手螺旋法则来判断的，右手螺旋法则的内容如下。

1）对于通电的直导线：用右手握住通电的直导线，让大拇指指向电流方向，则四指弯曲的方向即为磁场的方向。

2）对于通电的螺线管：用右手握住通电的螺线管，让四指弯曲的方向跟电流的方向一致，则拇指所指的方向即为螺线管内磁场的方向。

四、磁场对载流直导体的作用

载流直导体在磁场中将受到电磁力的作用，其力的大小与磁场的磁感应强度、流经导体的电流、磁场中导体的有效长度成正比。其关系式为

F＝BIl （1-15）

式中 F——导体受到的电磁力（N）；

B——磁场的磁感应强度（T）；

I——流经导体的电流（A）；

l——导体的有效长度（m）。

载流导体在磁场中所受电磁力的方向可由左手定则来判断：伸开左手，让大拇指跟其余四指垂直，且在同一平面内，让磁力线从手心穿过，四指指向导体内电流的方向，则拇指所指的方向即为导体所受电磁力的方向。

五、电磁感应

1.电磁感应现象

当回路的部分导体做切割磁力线运动或穿过线圈的磁通量发生变化时，导体或线圈中就有感应电动势产生。若回路或线圈是闭合的，则导体或线圈中还将有感应电流产生，这种现象叫做电磁感应现象，简称电磁感应。(www.xing528.com)

2.感应电动势大小的计算

（1）当导体做切割磁力线运动时

e＝Blv （1-16）

式中 e——感应电动势（V）；

B——磁感应强度（T）；

l——导线的有效长度（m）；

v——导体垂直切割磁力线的速度（m／s）。

（2）当穿过线圈的磁通量发生变化时

式中 e——感应电动势（V）；

N——线圈的匝数（匝）；

——磁通的变化率（Wb／s）。

3.感应电动势或者感应电流方向的判断

（1）右手定则（用于直导体切割磁力线运动时）

伸开右手，让大拇指跟其余四指垂直并且在同一平面内，让磁力线从手心穿过，拇指指向导体运动的方向，那么其余四指所指的方向即为感应电动势或感应电流的方向。

例如，闭合回路的部分直导体ab做切割磁力线运动，其方向如图1-47所示，根据右手定则可判断出直导体ab所产生的感应电动势和感应电流的方向如图中所示。且直导体的a端为感应电动势的正极，b端为感应电动势的负极。

（2）楞次定律（用于穿过线圈的磁通量发生变化时）

感应电流所产生的磁场，总是阻碍原来磁场的变化，这一规律称为楞次定律。应用楞次定律的方法步骤介绍如下。

1）首先确定原磁场的方向及变化趋势（变化趋势指的是原磁场是加强还是减弱）。

2）根据楞次定律确定感应磁场的方向（若原磁场是加强的，则感应磁场的方向与原磁场方向相反；若原磁场是减弱的，则感应磁场的方向与原磁场方向相同）。

3）根据感应磁场的方向，应用右手螺旋法则确定感应电动势或者感应电流的方向（用右手握着螺线管，让拇指与感应磁场的方向一致，则四指弯曲的方向即为感应电动势或者感应电流的方向）。

【例1-4】如图1-48所示，试判断当开关S闭合的瞬间，线圈B中感应电动势和感应电流的方向。

图1-47 右手定则的应用

图1-48 楞次定律的应用

解：当开关S闭合时，线圈A中有电流i_A通过，此电流所产生的磁通既穿过A线圈也穿过B线圈，此磁场可看做原磁场，且磁场是加强的，方向如图所示。根据楞次定律可判断出感应磁场的方向与原磁场（图中磁场）的方向相反，由此根据右手螺旋法则可判断出线圈B中感应电流i_B的方向如图所示。由于感应电动势是由线圈B产生的，所以可把线圈B看成是一个电源，因为在电源的内部电流是从负极流向正极的，从而可判断出感应电动势e的方向或极性如图所示。

六、电感

所谓电感就是用来衡量线圈中每通过单位电流所能产生的感应磁通量大小的一个物理量，用字母L表示。常用单位是亨利（H）、毫亨（mH）和微亨（μH），其关系为1H＝10³mH＝10⁶μH。

一个线圈的电感是它本身的固有属性，结构一定其电感的大小就确定了。如一个空心线圈的电感与其结构的关系为

式中 L——线圈的电感（H）；

N——线圈的匝数（匝）；

μ0——空气的磁导率。磁导率是表示物质导磁性能好坏的一个物理量，单位是亨利／米（H／m）；

S——线圈的截面积（m²）；

l——线圈的长度（m）。